李紹芬版本反應工程課后習題全解管式反應器-資料下載頁
2025-01-14 15:28本頁面
【正文】 并算出你所選用的反應體積。（2） （2） 如果采用循環(huán)反應器，請確定最佳循環(huán)比及反應體積。（3） （3） 當循環(huán)比ψ=∞時，反應體積為多少？（4） （4） 當循環(huán)比ψ=0時，反應體積為多少？解：（1）從自催化反應動力學特性可知，速率RA隨CA的變化存在極大值，令：所以或：其最大速率：故采用兩器串聯(lián)可使反應體積最小，如圖示，以極值處為兩器的分界線。所需最小總體積：(2)如采用循環(huán)反應器，如圖示：其基本設計式： (A)式中β=CP0/CA0=，為求最佳循環(huán)比，令： (B)又因為,所以 (C)將式（C）代入式（B）整理得：即：積分化簡后得： (D)將代入（D）式，整理得： (E)將代入（E）式化簡得：試差求得：，即為最佳循環(huán)比。所以，對（A）式積分得時的反應體積：（3）當循環(huán)比時，即為CSTR，反應體積為（4）當循環(huán)比時，即為PFR，反應體積為℃下在管式反應器中進行純度為90%的甲烷高溫熱裂解反應：其速率方程為：其速率常數(shù)為：試問：（1） （1） 若以C2H4為目的產(chǎn)物，忽略第三步反應，C2H4的最大收率為多少？（2） （2） 若考慮第三步反應，C2H4的最大收率是否改變？（3） （3） 用圖表示各組分濃度隨空時的變化關(guān)系。（4） （4） 若改變甲烷的進料濃度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？（5） （5） 若改變反應溫度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？若提高反應溫度，C2H4的收率是增加還是減少？乙炔的收率是增加還是減少？解：由化學反應計量關(guān)系式可知，本反應是一個復雜的變?nèi)葸^程，計算是較復雜的。但是，實際上該高溫裂解反應，為得到中間目的產(chǎn)物，通常XA只有百分之幾，所以為便于計算和討論，本題可近似看成恒容過程。（1） （1） 若忽略第三步，C2H4的最大收率：（2） （2） 若考慮第三步反應，C2H4的最大收率不變，與（1）相同。（3） （3） 用圖表示各組分隨空時的變化關(guān)系，由動力學數(shù)據(jù)可導出因題中未給出原料的其他組分，現(xiàn)假定原料中不含產(chǎn)物，則最終產(chǎn)物C或H2的濃度據(jù)物料衡算導出，如C(這里假定碳的擬濃度，用CC表示) 或：因此，各組分Ci/CA0～τ的關(guān)系可據(jù)上式做出，其示意圖如下：(4)若改變甲烷的進料濃度，產(chǎn)物相對濃度分布曲線趨勢不變，但產(chǎn)物濃度的絕對量是變的。（5）若改變反應溫度，產(chǎn)物分布曲線改變。若提高反應溫度，有利于活化能大的反應，所以C2H4的收率增加，而乙炔收率減少。，在其中裂解為乙烯酮和甲烷：該反應為一級反應，反應速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為：k的單位為s1。操作壓力為162kPa。反應器用溫度為1300K的恒溫熱源供熱，熱源與反應氣體間的傳熱系數(shù)等于110W/m2K，要求丙酮的轉(zhuǎn)化率達20%。各反應組分的熱容（J/）與溫度（K）的關(guān)系如下：。（1） （1） 計算所需的反應體積；（2） （2） 繪制軸向溫度分布及軸向丙酮濃度分布圖。解：此反應為非絕熱變?nèi)葑儨胤磻?。其中?，F(xiàn)選入口溫度T0為基準溫度，需求出：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得然后將所需數(shù)據(jù)代入基本設計方程得微分方程組：式中，此方程組用數(shù)值法求解。這里為方便學生用手算采用改良歐拉法，計算結(jié)果列入表中：丙酮裂解反應器的軸向XA和CA及T的分布T,KZ,mXACA,mol10181027達到20%轉(zhuǎn)化率所需反應體積，可按線性內(nèi)插法確定反應器軸向長度：再求反應體積：顯然，氣體流過如此長的管道壓力降是不可忽略的。而上述計算是基于等壓情況處理的，較準確的計算應考慮壓降的影響，應再加一個動量衡算式，然后再聯(lián)立求解。不過，實際上如此長的管道是不可取的，應考慮很多根管子并聯(lián)，即列管式反應器，這里不再多述。（2）可根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制軸向反應溫度及丙酮濃度分布圖。（這里從略），正逆反應的反應速率常數(shù) 和 與溫度的關(guān)系如下：要求最終轉(zhuǎn)化率為90%，試問在什么溫度下操作所需的反應體積最小？解：由（）式：可知，當時，即，所以，故可判定此反應為可逆放熱反應。據(jù)式（）求最佳溫度，其中Te為對應于轉(zhuǎn)化率為90%時的平衡溫度，對一級可逆反應有：所以：即。
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